新疆大石门水利枢纽建筑物工程布置及关键技术

郝永志

渊新疆水利水电勘测设计研究院袁830000袁乌鲁木齐冤

一、工程概况

新疆大石门水利枢纽是国务院172项节水供水重大水利工程和2015年国家新开工的27项重点水利工程之一，项目总投资19.6亿元，是一项承担防洪、发电和灌溉任务的综合利用水利枢纽。工程为Ⅱ等大（2）型，水库总库容1.27亿m3，水库正常蓄水位2 300 m，调节库容0.99亿m3，死库容0.18亿m3，碾压式沥青混凝土心墙坝最大坝高128.8 m，坝顶长度205 m；水库控制灌区34.14万亩（1亩=1/15 hm2）耕地的灌溉用水要求，可将下游防护对象的防洪标准由现状的不足3年一遇提高到20年一遇，电站装机60 MW，发电引水流量82 m3/s，年发电量1.765 亿 kWh。

工程由拦河坝、古河槽帷幕灌浆、表孔溢洪洞、底孔泄洪洞（导流洞改建，龙抬头型式）、发电引水洞、地面厂房及过鱼设施等组成。工程抗震设计烈度为Ⅷ度，地震峰值加速度为0.26 g，是我国目前已建和在建水利工程中抗震设防烈度最大、坝高最高的沥青混凝土心墙坝。

二、设计关键问题

1.高地震带沥青心墙坝

新疆地区20世纪90年代开始尝试将沥青混凝土心墙用于水利工程，并最先在多拉特水库使用了该防渗方法，该水库20多年来工作性能良好。随着防渗技术的发展，新疆已经建设40多座各类沥青心墙坝，通过多年的不断实践和科学总结，陆续建造了一些大型水利工程，如坝高105 m的阿拉沟水库、坝高106 m的石门水电站、坝高91.6 m的库什塔依水电站以及在建的坝高128.6 m的巴木墩水库、坝高102.5 m的五一水库和坝高101.5 m的吉尔格勒水利枢纽等，这些水利工程库容大，控制流域广，设计等级高，基本修建在北部严寒或寒冷地区。另外2010年启动的自治区“定居兴牧”水利工程中确定立项的25座中小型水库工程中有14座为沥青混凝土心墙土石坝，从2010年下半年开始陆续开工建设，并于2012年全部投入运行。

随着水能资源开发力度加大，一系列坝高在160 m左右的大坝也正在设计规划和开工建设之中。通过20多年的发展，逐步积累了较为成熟的设计、施工和运行管理经验。本工程抗震设计烈度为Ⅷ度，最大坝高128.8 m，可参考国内外已建类似工程经验解决坝体抗震问题。

2.古河槽防渗处理

库区两岸地形较高，库区车尔臣河右岸为阿尔金山，河岸边基岩裸露，后缘分水岭山体雄厚，水库右岸不存在大的永久性渗漏问题，但库区西侧为托其里萨依河左岸古河道，古河道较宽，进口位于坝址库区左岸，距上坝轴线100 m，出口位于坝址下游2.3 km。古河道在进口处宽度为2.8 km，底宽1 km。古河道两岸基岩出露，河道内沉积了约200 m深的深厚砂卵砾石覆盖层，水库蓄水后，古河槽存在渗漏和绕渗等问题。本工程采取“上防下排”的防渗处理措施解决古河槽的渗漏和绕渗问题。

对深度近200 m的深厚覆盖层采用纯帷幕灌浆的防渗处理国内并无先例，也无规范可循。法国的谢尔·庞桑坝坝高122 m，坐落于120 m深厚的、夹有大砾石和细砂的砂砾石冲积层上，采用19排灌浆帷幕，帷幕厚度15～35 m；瑞士马特马克坝坝高115 m，建于厚100 m的覆盖层上采用帷幕灌浆；埃及的阿斯旺坝最深一排灌浆孔穿透225 m的冲击层，灌浆后透水性降低1 000倍左右，但其帷幕厚度近40 m。本工程参考国外类似工程，通过帷幕灌浆达到减少水库渗漏量和降低绕渗水流水力坡度的目的。

三、枢纽建筑物布设

1.总体布置

受地形、地质条件限制，左岸不宜布置水工建筑物，因此除大坝外的其他工程建筑物主要布置于右岸。表孔溢洪洞利用坝前右岸距坝轴线约125 m处的凹槽进行布置，以尽量减小洞长，节省投资；为避免洪水期泥沙对发电引水的影响，底孔泄洪洞进口与发电洞进口联合布置，均布置在坝前河道近90°河湾前的右岸；表孔溢洪洞、底孔泄洪洞轴线近平行布置，尾部投入坝后右转河道内；导流洞根据底孔泄洪洞轴线布置，底孔泄洪洞在进口闸井后通过龙抬头方式与导流洞结合；发电厂房为河岸式地面厂房，布置在坝轴线下游330 m的右岸河床边，尾水管轴线与河道轴线平行布置，尾水直接投入下游车尔臣河河道内。在左岸坝顶高程2 300 m沿坝轴线方向，设570 m（桩号为古0+000 m～古0+570 m）长的灌浆廊道，纯帷幕灌浆深近200余m。在左岸古河槽帷幕下游布置主排水洞、交通兼排水洞及滤水花管等排水设施组成的排水孔幕。枢纽布置见图1。

图1 大石门水利枢纽主要建筑物布置

2.挡水建筑物设计

坝顶高程2 304.5 m，防浪墙顶高程2 305.7 m，建基面高程2 175.7 m，最大坝高128.8 m。根据本工程筑坝材料（砂砾料）的性质及三维有限元计算结果，并结合工程区地震烈度高的特点，参照设计规范，确定其上游坝坡高程2 265 m以上坡度为1∶2.75，高程2 265 m以下上游坝坡坡度为1∶2.5，变坡处设2 m宽马道，上游围堰与坝体结合，上游围堰坝坡（高程2 229 m以下）坡度为1∶2.25，下游坝坡坡度为1∶1.8～1∶1.6。 为解决运行期的交通问题，在下游坡设10 m宽、纵坡为8%的“之”字形上坝公路，则最大断面下游平均坡度约为1∶2.32。下游坝坡在2 270 m高程以上设200 mm厚钢筋混凝土板，护坡板分块尺寸为5 m×5 m，错缝布置，填缝材料采用高压闭孔板，迎水面坝缝采用M20砂浆嵌缝，厚度3 cm。在2 270 m高程以下采用0.4 m厚干砌石护坡；上游坝坡采用素混凝土护坡，护坡厚0.3 m，混凝土强度等级为C25，抗渗等级为W6，抗冻等级为F300。

沥青混凝土心墙防渗体轴线偏向上游侧，距坝轴线距离为4 m。采用碾压式沥青混凝土心墙，心墙厚度根据规范规定及参考有关工程类比，确定沥青混凝土心墙宽度由顶厚0.6 m采用台阶渐变至底厚1.4 m。底部与混凝土基座接触处厚度由1.4 m台阶式渐变为2.6 m。沥青混凝土心墙与基座间铺设一层沥青马蹄脂厚2 cm，心墙与混凝土基座之间采用铜片止水，沿心墙轴线布置。混凝土强度等级为C30，抗渗等级为W8，抗冻等级为F100。心墙基座每8 m设一道伸缩缝。

3.泄水建筑物设计

大石门水利枢纽工程属Ⅱ等大（2）型工程，大坝为土石坝1级建筑物，设计洪水标准为100年一遇，设计泄量Q=1 359 m3/s，校核洪水标准为2 000年一遇，校核泄量Q=1 903 m3/s。本工程坝高128.8 m，库容1.27亿m3，泄水建筑物按不同高程布置为两层，即表孔和底孔。在泄量分配上，底孔泄流能力应充分利用导流洞所需的泄流断面，以节省工程投资；表孔应有一定超泄能力，在非常运行水位时，其泄量应占总下泄量的1/2以上。表孔工作闸门采用露顶弧形闸门，使表孔具有承担泄洪和排漂任务的功能。由于底孔与导流洞结合布置，因此底孔在施工期除满足导流要求外，在运行期还需满足泄洪、排沙、水库放空及发电洞进口“门前清”的要求。

表孔溢洪洞布置在右岸，溢洪洞进口堰顶高程2 291 m，设计洪水位2 300 m，设计泄量660 m3/s，校核洪水位2 303.36 m，校核泄量1 063 m3/s。由引渠段、控制段、洞身段、挑流鼻坎段和护坦段组成，总长542 m。控制段采用WES堰，单孔，堰宽12 m，堰面曲线y=0.0904x1.85。堰顶高程2 291 m，堰高4 m；控制段顺水流方向长20 m，边墙顶部高程2 305 m，侧墙高18 m，C30钢筋混凝土结构；控制段内设一道12 m×10 m弧形工作门、一道12 m×11 m平板检修门。洞身段长477.9 m，断面尺寸 8 m×9.8 m（宽×高）城门洞形。挑流鼻坎段长28 m，混凝土矩形断面，底宽10 m，挑流鼻坎顶高程2 189.254 m，挑角 25°，反弧半径30 m。

底孔泄洪洞布置在右岸，其轴线与导流洞部分轴线一致，采用 “龙抬头”方式与导流洞结合，在枢纽中起到渲泄洪水、冲沙、放空水库作用，总长904.7 m，由进口引渠段、闸井段、洞身段（渐变段、渥奇段、反弧段、连接段、结合段）、挑流鼻坎段及护坦段组成。

4.引水发电系统建筑物设计

发电引水系统进水口布置于坝体右侧，电站厂房布置于坝后河道右岸。发电引水系统采用一洞四机的布置方案。发电引用流量为82 m3/s，额定水头84 m。

发电引水系统全长811.304 m，由引渠段、进口闸井段、钢筋混凝土衬砌隧洞段、钢衬隧洞段、钢衬回填管段、岔管和支管组成。进口闸井段布置为岸塔式进水口，进水口闸井由拦污栅段和事故门闸井段组成，全长28.7 m，闸井前段宽20 m，后段宽11 m。拦污栅段设清污机轨道、拦污栅各一道、各三孔，拦污栅孔口尺寸为4 m（宽）；拦污栅后设置迭梁进水口一道，共三孔，迭梁门孔口尺寸为4 m（宽），设置迭梁门库两道，共六孔，门库底板高程为2 274.5 m，门库孔口尺寸为4 m（宽）；事故门闸井段设平板事故门一道，一孔，孔口尺寸6 m×6 m。

主厂房内布置4台15 MW混流式水轮发电机组，主厂房总长68.9 m，其中安装间长18.35 m，主机间长50.55 m。主机间总高34.3 m，安装间高24.1 m，机组间距11.5 m。根据设备及结构布置要求，确定厂房上游侧宽9m，下游侧6m，总宽18.8m，主厂房设1台100 t/20桥式起重机，跨度15 m。

在发电机层2 185.6 m高程，上游侧设有蝶阀吊物孔，靠上游侧排架柱之间分别设置机旁屏、调速器等。水轮机层高程为2 179.4 m，上游侧布置吊物孔、蝶阀液压站及下蝶阀层楼梯。安装间下部2 179.4 m层布置有空压机室、油处理室、透平油库、通风机室、转子检修墩等。安装间上部为发电机层高程，可满足一台机安装检修需要，其上布设转子检修墩孔、上吊车钢梯及消防设施，安装间右侧布置进厂大门，主机间靠左端墙布置安全疏散门。

5.左岸古河槽防渗处理设计

根据物探资料显示，水库左岸出露岩性上部为第四系上更新统砂卵砾石，层厚约为5～8 m；下部为第四系中更新统砂卵砾石，呈青灰～土黄色，结构密实，泥质弱胶结，厚度约95～208 m；最下部为第四系下更新统砂卵砾石，层厚约10～61 m。古河槽上部宽约2 883 m，下部宽约974 m。蓄水后，该砂砾石层古河槽存在渗漏和绕渗等危及库区安全运行等问题。

根据中国水利水电科学研究院《新疆车尔臣河大石门水利枢纽工程水库左岸三维渗流计算分析研究》报告的计算结果显示，左岸古河槽在全帷幕灌浆防渗情况下水库渗漏量减少不明显，且工程投资和施工难度大，因此左岸古河槽处理以防止左岸渗透破坏为主。最终确定在左岸坝顶高程2 300 m沿坝轴线方向设570 m（桩号为古0+000 m～古0+570 m）长灌浆廊道，纯帷幕灌浆深近200余m。现场一期、二期灌浆试验已完成，分析压水试验成果可知，渗透系数从原来的 6×10-3cm/s降至 1×10-4cm/s，达到了预期目标。同时，在防渗帷幕后布置一条主排水洞并利用#1交通洞和#1-1交通洞兼排水洞形成一道排水孔幕，实现“上防下排”的防渗处理形式。

6.升鱼机设计

升鱼机的工作原理为：通过在坝后布置诱鱼设施将鱼类诱入升鱼机集鱼系统内，通过提升过坝装置将集鱼池内聚集的鱼类提升过坝，最终投放至库区。大石门水利枢纽工程升鱼机主要构筑物包括集诱鱼系统及提升过坝装置。

本工程集诱鱼系统布置在电站尾水渠左侧，利用发电尾水作为系统供水。利用布置在电站厂房尾水渠上的诱鱼道，使坝后聚集鱼类进入升鱼机集鱼系统内。针对建筑物的布置特点，采用“诱鱼道+轨道运输+回转吊”的运输和过鱼设施来满足鱼类回游过坝，达到保护鱼类资源的目的。过鱼设施由诱鱼道、集鱼池、集鱼斗、单梁吊、坝后轨道牵引机、坝前运输台车和回转吊等部分组成。其中金属结构设备主要设置在集鱼池、集鱼斗、单梁吊、坝后轨道牵引机、坝前运输台车和回转吊等基础部分。

四、结 语

大石门水利枢纽是我国目前已建和在建水利工程中抗震设防烈度最大、坝高最高的沥青混凝土心墙坝，同时具有目前国内最深的近200余m的纯帷幕灌浆古河槽深厚覆盖层防渗处理，升鱼机设计在新疆尚属首创。本文对新疆大石门水利枢纽各建筑物的设计原则、工程布置特点进行总结，其诸多设计研究均居于国内领先地位，希望对同类工程有所借鉴。 ■